بخشی از مقاله
چکیده
شرایط خاص و پیچیدهی محیط آب استفاده از سامانههای سوناری را بجای رادار الزامی کرده است. در سونار جهت دریافت و یا ارسال امواج صوتی از ترنسدیوسرهای آکوستیکی استفاده میشود. یکی از متداولترین این ترنسدیوسرها، آرایههای سوناری هستند که به عنوان ابزار فرستنده و گیرنده امواج صوتی در زیر آب مورد استفاده قرار میگیرند. یک آرایه خود ترکیبی از تعدادی ترنسدیوسر تانپیلز است که طبق نظمی خاص کنار هم چیده شدهاند. هر آرایه دارای یک یا چند فرکانس کاری است که این فرکانس همان فرکانس کاری تانپیلزهای تشکیل دهنده آرایه است.
امروزه استفاده از سونارهای پهن باند و یا سونارهای با چند فرکانس کاری از ملزومات سونارهای پیشرفته به شمار میآید. در این پژوهش در ابتدا با استفاده از روابط موجود در زمینه طراحی ترنسدیوسر تانپیلز، یک تانپیلز با سه فرکانس کاری طراحی شده و سپس در نرم افزار المان محدود ANSYS Workbench تانپیلز طراحیشده مورد شبیهسازی قرار گرفته است. در انتها تانپیلز چند فرکانسی ساخته شده و جهت صحتسنجی نتایج طراحی و شبیهسازی با استفاده از دستگاه اندازهگیری امپدانس - Impedance Analyzer - تست امپدانسی شده است.
-1 مقدمه
اتلاف بالای امواج رادیویی در محیط آب و همچنین بالا بودن سرعت انتشار صوت در محیط آب، استفاده از امواج صوتی را در زیر آب جهت ارسال و یا دریافت اطلاعات مورد نظر الزامی کرده است. سامانههای سوناری از امواج صوتی برای ارتباط در زیر آب استفاده میکنند که این ارتباط از طریق مبدلها و یا همان ترنسدیوسرهای آکوستیکی در محیط آب اتفاق میافتد.[1] در حالت کلی، یک ترنسدیوسر وسیله یا فرآیندی است که انرژی را از حالتی به حالت دیگر تبدیل می کند. مبدل آکوستیکی انرژی الکتریکی را به انرژی آکوستیکی - صوتی - و بالعکس، تبدیل میکند.
به منظور جهتدهی به امواج صوتی و همچنین بهدست آوردن توان کافی در سونارها در از آرایههای آکوستیکی استفاده میشود. این آرایهها از قرارگیری تعدادی ترنسدیوسر تانپیلز1 در کنار هم تشکیل شدهاند. واژه تانپیلز از ترکیب دو کلمه آلمانی به معنای صوت و قارچ ساخته شده است و دلیل آن شکل خاص این ترنسدیوسر است که به قارچ شباهت دارد. با استفاده از ترنسدیوسر تانپیلز میتوان آرایههای بزرگ سوناری شامل صدها ترنسدیوسر تانپیلز، در پیکربندیهای مختلف مانند کروی، استوانهای و مسطح را ساخت. شکل 1 نمایی از تمام اجزای یک ترنسدیوسر تانپیلز را نشان میدهد.[2]
ترنسدیوسرهای تانپیلز شامل رینگهای - با عنوان Stack در شکل - 1 پیزوالکتریک[3] با مود 33 هستند که بین یک جرم جلوی و یک جرم دنباله به وسیله یک میله فلزی نگهدارنده - پیچ - که از بین آنها عبور میکند، محکم فشرده شدهاند.[4] این چیدمان به قطعات اجازه میدهد به صورت طولی در فرکانسهای بین 1 تا 60 کیلوهرتز نوسان داشته باشند. رینگهای پیزوالکتریک را می توان مهمترین قسمت از تانپیلز دانست زیرا حرکت و نوسان به وسیله آنها انجام میگیرد. اثر پیزوالکتریک اولین بار درسال 1880 میلادی توسط برادران کوری2 در تک بلور کوارتز کشف شد.
کوارتز تحت فشار ولتاژ الکتریکی تولید میکند. با پیشرفت در این زمینه پیزوسرامیکها به مواد غالب برای ترنسدیوسرهای آکوستیکی تبدیل شدند چرا که این مواد را میتوان در اشکال و اندازههای مختلف به راحتی تولید کرد و همچنین خواص پیزوالکتریکی خوبی دارند. در حال حاضر نیز ترکیبات تیتانات زیرکونات سرب - PZT - متداولترین مصارف را دارند.
از روشهای طراحی یک تانپیلز میتوان .1 مدل جرم و فنر . 2 مدل مدار معادل الکتریکی .3 مدل عددی را نام برد. در روش جرم و فنر تانپیلز را به عنوان یک سیستم جرم و فنر با درجات آزادی مختلف میتوان در نظر گرفت. روش مدار معادل روشی کاملتر و دقیق تر از روش جرم و فنر است. در روش عددی در این روش از نرمافزارهای المان محدود استفاده میشود.
برخی از این نرم افزارها عبارتند از ATILA، ANSYS، COMSOL و ... . در این مقاله در ابتدا با اضافه کردن دو جرم مرکزی و دو جرم نرم به تانپیلز معمولی، یک تانپیلز سه فرکانسی طراحی میشود. سپس در محیط نرم افزار ANSYS تانپیلز طراحی شده شبیهسازی شده تا با استفاده از آنالیز مودال ارتعاشات طولی تانپیلز طراحی شده استخراج شود. در ادامه با استفاده از نتایج خروجی طراحی تانپیلز ساخته شده و مورد تست امپدانسی قرار خواهد گرفت.
-2 طراحی و تانپیلز سه فرکانسی
در ابتدا با استفاده از مدل جرم و فنر و روش مدار معادل تانپیلزی با یک فرکانس طراحی خواهد شد.[4]
